Effects of temperature in bridge design

• Forschungsstelle: ASTRA SBT
• Projektnummer: AGB2001/475
• Projekttitel Englisch: Effects of temperature in bridge design

Schlüsselwörter (Französisch)

pont, température, gradient, dimensionnement, aptitude au service, Swisscodes, Eurocodes

Kurzbeschreibung (Französisch)

Les variations de la température dans les ouvrages d'art provoquent les effets suivantes : un allongement ou un raccourcissement de l'ouvrage, une courbure des poutres et, du fait d'une répartition non-linéaire de la température dans la section, la création d'autocontraintes. Si les conditions d'appui ne permettent pas aux déformations de se faire librement, des efforts intérieures prendront naissance, ce qui est en générale le cas pour les systèmes hyperstatiques qui entravent les rotations libres.

Les variations de température dans les sections des poutres de ponts dépendent de nombreux paramètres ayant trait au matériaux utilisé, à la forme et aux  dimensions des éléments porteurs, à leur revêtement, à l'exposition de l'ouvrage et aux conditions d'ensoleillement.  

Le but des travaux prévus dans ce domaine est d'une part de préciser le rôle effectivement joué par les effets de la température dans le dimensionnement moderne des ouvrages d'art et de fournier des règles pratiques et simples pour tenir compte des ces effets. D'autre part, une meilleure connaissance du comportement des ouvrages mixtes sous les effets thermiques doit permettre d'identifier les types d'ouvrages les plus sensibles aux effets de la température. Cette connaissance nouvelle conduire à une observation de tels ouvrages pour constater leur état ainsi qu'à des propositions de principes pour concevoir des ouvrages moins sensibles aux  effets thermiques.

Projektziele (Französisch)

Le but des travaux prévus dans ce domaine est d'une part de préciser le rôle effectivement joué par les effets de la température dans le dimensionnement moderne des ouvrages d'art et de fournir des règles pratiques et simples pour tenir compte des ces effets. D'autre part, une meilleure connaissance du comportement des ouvrages mixtes sous les effets thermiques doit permettre d'identifier les types d'ouvrages les plus sensibles aux effets de la température. Cette connaissance nouvelle conduire à une observation de tels ouvrages pour constater leur état ainsi qu'à des propositions de principes pour concevoir des ouvrages moins sensibles aux  effets thermiques.  

Zielerreichung (Französisch)

Selon la commission de surveillance, les objectifs de ce mandat de recherche ont été atteints. La commission de surveillance a approuvé le rapport en novembre 2004.

Abstract (Französisch)

Un résumé succinct des résultats obtenus est donné ci-dessous :

·            Les mesures effectuées sur le viaduc des Vaux et sur le pont sur la Mentue ont permis de mettre en évidence les cycles journaliers de température sur le comportement thermique des ouvrages. Dans une section transversale, l’ensoleillement et les variations de la température ambiante provoquent des variations uniformes de la température et des gradients de température essentiellement dans la dalle. La variation journalière de la température en un point situé sous la dalle au droit des poutres peut valoir plus du double dans une section mixte que dans une section en béton, en raison de la plus forte inertie thermique des ouvrages en béton. Sur l’ensemble des mesures réalisées sur le viaduc des Vaux, la température dans la dalle varie de -7,5 °C en décembre à +34 °C en août. D’une manière générale, la dalle se réchauffe d’avantage que les poutres métalliques en été et se refroidit d’avantage en hiver.

·            Une modélisation des sections des deux ouvrages mixte et en béton a permis de mettre en évidence le rôle déterminant de certains paramètres météorologiques et physiques sur la distribution de la température dans les ponts. La température ambiante, le rayonnement solaire et le rayonnement émis par le sol sont les paramètres environnementaux principaux. L’absorptivité du matériau, le coefficient de film et l’émissivité de la surface sont les caractéristiques des matériaux les plus influentes.

·            Un modèle tridimensionnel a été élaboré pour généraliser l’étude à d’autres formes de ponts mixtes et en béton pour déterminer les effets de la température sur ces ouvrages. Dans ce modèle numérique, les paramètres environnementaux pris en compte ont été définis au moyen de courbes extrémales de température et d’ensoleillement basées sur les relevés météorologiques en Suisse portant sur la période de 1980 à 2000. Les résultats de ce modèle ont été validés en les comparant aux résultats de mesures effectuées sur le viaduc des Vaux.

·            Les résultats de la simulation du comportement des ponts mixtes sous conditions météorologiques extrêmes ont montré que pour une épaisseur de dalle et de revêtement donné, la forme et les dimensions de la section transversale ont une faible influence sur la répartition et la valeur des contraintes. Par conséquent, un calcul de contraintes devient inutile et de simples valeurs forfaitaires peuvent être admises pour refléter les effets de la température dans les sections mixtes :

o        les contraintes extrêmes de traction dans la dalle sont comprises entre 0.8 et 1.7 N/mm2, elles agissent dans la moitié jusqu’aux trois quarts inférieurs de la dalle,

o        les contraintes extrêmes de compression sont comprises entre -10 et -22 N/mm2 dans l’âme des poutres métalliques et elles sont de l’ordre de -5 N/mm2 dans la semelle inférieure des poutres et de l’ordre de -15 à -20 N/mm2 dans la semelle inférieure des caissons sur appuis.

·            Malgré les faibles variations des contraintes extrêmes en fonction des types de section et des portées, on peut tenter de définir les ouvrages mixtes dont la dalle est la plus sollicitée en traction. Il s’agit plutôt des ouvrages de longue portée, car les ¾ de la dalle inférieure sont alors tendus, avec des dalles épaisses et une faible épaisseur de revêtement.

·            Dans la dalle des ponts mixtes, la répartition de température est hautement non linéaire et, à la variation extrême de l’air ambiant et de l’ensoleillement, on peut associer un gradient linéaire maximum de 7 °C (face supérieure plus chaude) pour une dalle de 400 mm d’épaisseur et de 13 °C pour une dalle de 250 mm d’épaisseur. Ce gradient linéaire est accompagné d’une répartition de température non linéaire de forme parabolique. Cette distribution parabolique a pour effet d’accentuer la variation de la température près de la face supérieure de la dalle.

·            Dans la dalle des ponts en béton, les simulations permettent de mettre en évidence un gradient maximum linéaire de 8 °C sur les 300 premiers millimètres de l’épaisseur de la dalle indépendamment de la forme de la section transversale, pour une dalle avec un revêtement de 100 mm d’épaisseur. Ce gradient linéaire est accompagné d’une répartition de température non linéaire de forme parabolique qui a pour effet d’accentuer la variation de la température près de la face supérieure de la dalle.

·            La variation uniforme maximale de la température d’un ouvrage qui provoque les dilatations et les raccourcissements peut être déduite de la variation de la température de l’air ambiant. Elle est différente en fonction du matériau de l’ouvrage. Basé sur les mesures des températures extrêmes en Suisse ces dernières années, une variation maximale de la température ambiante de 60 °C entraîne une variation maximale de la température uniforme de 60 °C pour un pont mixte et de 52 °C pour un pont en béton..

·            La comparaison des résultats de notre étude avec les indications contenus dans les normes SIA actuellement en vigueur (SIA 261) permet d’affirmer ce qui suit :

o        Pour les variations uniformes de température qui influencent les variations de longueur saisonnières des ouvrages, notre étude a montré que les valeurs de calcul de la norme sont toujours d’actualité et représentent, de manière légèrement conservatrice, la température uniforme extrêmes des ponts conditionnant leurs déformations longitudinales.

o        Pour la prise en compte des gradients linéaires dans les ponts mixtes, nous proposons de renoncer à un calcul de leur influence et d’admettre les valeurs forfaitaires résultant de notre étude pour les contraintes extrêmes ou de calcul car ces valeurs ne varient pratiquement pas en fonction des différentes dimensions des sections transversales. La norme devrait donc informer des valeurs de gradient tels qu’ils ressortent de notre étude et proposer des valeurs de contraintes qui en découlent.

o        Pour la prise en compte des gradients linéaires dans les ponts en béton, nous proposons, d’utiliser les valeurs de notre étude pour le gradient linéaire agissant sur la dalle uniquement, soit sur les 300 premiers mm. Les gradients proposés dans la norme devraient être adaptés selon nos propositions.

Beschreibung der Resultate (Französisch)

Un résumé succinct des résultats obtenus est donné ci-dessous :

·            Les mesures effectuées sur le viaduc des Vaux et sur le pont sur la Mentue ont permis de mettre en évidence les cycles journaliers de température sur le comportement thermique des ouvrages. Dans une section transversale, l’ensoleillement et les variations de la température ambiante provoquent des variations uniformes de la température et des gradients de température essentiellement dans la dalle. La variation journalière de la température en un point situé sous la dalle au droit des poutres peut valoir plus du double dans une section mixte que dans une section en béton, en raison de la plus forte inertie thermique des ouvrages en béton. Sur l’ensemble des mesures réalisées sur le viaduc des Vaux, la température dans la dalle varie de -7,5 °C en décembre à +34 °C en août. D’une manière générale, la dalle se réchauffe d’avantage que les poutres métalliques en été et se refroidit d’avantage en hiver.

·            Une modélisation des sections des deux ouvrages mixte et en béton a permis de mettre en évidence le rôle déterminant de certains paramètres météorologiques et physiques sur la distribution de la température dans les ponts. La température ambiante, le rayonnement solaire et le rayonnement émis par le sol sont les paramètres environnementaux principaux. L’absorptivité du matériau, le coefficient de film et l’émissivité de la surface sont les caractéristiques des matériaux les plus influentes.

·            Un modèle tridimensionnel a été élaboré pour généraliser l’étude à d’autres formes de ponts mixtes et en béton pour déterminer les effets de la température sur ces ouvrages. Dans ce modèle numérique, les paramètres environnementaux pris en compte ont été définis au moyen de courbes extrémales de température et d’ensoleillement basées sur les relevés météorologiques en Suisse portant sur la période de 1980 à 2000. Les résultats de ce modèle ont été validés en les comparant aux résultats de mesures effectuées sur le viaduc des Vaux.

·            Les résultats de la simulation du comportement des ponts mixtes sous conditions météorologiques extrêmes ont montré que pour une épaisseur de dalle et de revêtement donné, la forme et les dimensions de la section transversale ont une faible influence sur la répartition et la valeur des contraintes. Par conséquent, un calcul de contraintes devient inutile et de simples valeurs forfaitaires peuvent être admises pour refléter les effets de la température dans les sections mixtes :

o        les contraintes extrêmes de traction dans la dalle sont comprises entre 0.8 et 1.7 N/mm2, elles agissent dans la moitié jusqu’aux trois quarts inférieurs de la dalle,

o        les contraintes extrêmes de compression sont comprises entre -10 et -22 N/mm2 dans l’âme des poutres métalliques et elles sont de l’ordre de -5 N/mm2 dans la semelle inférieure des poutres et de l’ordre de -15 à -20 N/mm2 dans la semelle inférieure des caissons sur appuis.

·            Malgré les faibles variations des contraintes extrêmes en fonction des types de section et des portées, on peut tenter de définir les ouvrages mixtes dont la dalle est la plus sollicitée en traction. Il s’agit plutôt des ouvrages de longue portée, car les ¾ de la dalle inférieure sont alors tendus, avec des dalles épaisses et une faible épaisseur de revêtement.

·            Dans la dalle des ponts mixtes, la répartition de température est hautement non linéaire et, à la variation extrême de l’air ambiant et de l’ensoleillement, on peut associer un gradient linéaire maximum de 7 °C (face supérieure plus chaude) pour une dalle de 400 mm d’épaisseur et de 13 °C pour une dalle de 250 mm d’épaisseur. Ce gradient linéaire est accompagné d’une répartition de température non linéaire de forme parabolique. Cette distribution parabolique a pour effet d’accentuer la variation de la température près de la face supérieure de la dalle.

·            Dans la dalle des ponts en béton, les simulations permettent de mettre en évidence un gradient maximum linéaire de 8 °C sur les 300 premiers millimètres de l’épaisseur de la dalle indépendamment de la forme de la section transversale, pour une dalle avec un revêtement de 100 mm d’épaisseur. Ce gradient linéaire est accompagné d’une répartition de température non linéaire de forme parabolique qui a pour effet d’accentuer la variation de la température près de la face supérieure de la dalle.

·            La variation uniforme maximale de la température d’un ouvrage qui provoque les dilatations et les raccourcissements peut être déduite de la variation de la température de l’air ambiant. Elle est différente en fonction du matériau de l’ouvrage. Basé sur les mesures des températures extrêmes en Suisse ces dernières années, une variation maximale de la température ambiante de 60 °C entraîne une variation maximale de la température uniforme de 60 °C pour un pont mixte et de 52 °C pour un pont en béton..

·            La comparaison des résultats de notre étude avec les indications contenus dans les normes SIA actuellement en vigueur (SIA 261) permet d’affirmer ce qui suit :

o        Pour les variations uniformes de température qui influencent les variations de longueur saisonnières des ouvrages, notre étude a montré que les valeurs de calcul de la norme sont toujours d’actualité et représentent, de manière légèrement conservatrice, la température uniforme extrêmes des ponts conditionnant leurs déformations longitudinales.

o        Pour la prise en compte des gradients linéaires dans les ponts mixtes, nous proposons de renoncer à un calcul de leur influence et d’admettre les valeurs forfaitaires résultant de notre étude pour les contraintes extrêmes ou de calcul car ces valeurs ne varient pratiquement pas en fonction des différentes dimensions des sections transversales. La norme devrait donc informer des valeurs de gradient tels qu’ils ressortent de notre étude et proposer des valeurs de contraintes qui en découlent.

o        Pour la prise en compte des gradients linéaires dans les ponts en béton, nous proposons, d’utiliser les valeurs de notre étude pour le gradient linéaire agissant sur la dalle uniquement, soit sur les 300 premiers mm. Les gradients proposés dans la norme devraient être adaptés selon nos propositions.

Umsetzung und Anwendungen (Französisch)

Les résultats de la recherche contiennent des indications sur la manière de prendre en compte les effets de la température dans le dimensionnement des ouvrages et des indications pour modifier la normalisation en vigueur. Ces indications devraient être prises en compte dans lors de la révision des normes en vigueur.

Berichtsnummer (Deutsch)

580